油基鉆井液乳化劑的篩選及評價

蘇超　李闖　肖文惠　邵帥

摘 要：從常用的主乳化劑和輔助乳化劑中進行篩選并對不同加量的主輔乳化劑進行實驗，得到熱滾前后乳化液的破乳電壓，選出最佳的主輔乳化劑和用量，同時對配置的乳化液的抗污染性和抗乳化性進行實驗，評價了其各項性能，結果表明所配制的乳化液各項性能表現良好，可用于油基鉆井液中。

關 鍵 詞：乳化劑；油基鉆井液；破乳電壓

中圖分類號：TE 357 文獻標識碼： A 文章編號： 1671-0460（2017）07-1378-04

Selection and Evaluation of Emulsifier for Oil-based Drilling Fluids

SU Chao， LI Chuang， XIAO Wen-hui， SHAO Shuai

（Northeast Petroleum University， HeiLongjiang Daqing 163318， China）

Abstract： Main emulsifier and auxiliary emulsifier were selected， the experiments by using different amount of the main emulsifier and auxiliary emulsifier were carried out， emulsion breaking voltages of the emulsion before and after hot rolling were obtained， the best main emulsifier and auxiliary emulsifier and their dosage were determined. Anti-fouling and anti-emulsifying properties of the emulsion with the best formula were tested. The results show that the performance of prepared emulsion is good and can be used in oil-based drilling fluids.

Key words： Emulsifier； Oil-based drilling fluid； Emulsion breaking voltage

油基鉆井液具有耐高溫、穩定性好、潤滑性較好并對井下油氣層有一定的保護作用等優點。[1-5]油基鉆井液常用基液為油包水乳液，其整體性能主要取決于所用的乳液性能是否穩定，乳化劑效果是否良好。目前，我國常用于油基鉆井液主乳化劑發展較快，但是仍存在一些問題，主要體現在配制的油包水鉆井液經高溫熱滾后破乳電壓仍較低，不穩定，另外主乳化劑成本較高，粘度較大，很難滿足鉆井現場應用要求，[6-9]本文主要針對目前常用的主乳化劑和輔助乳化劑進行配對，配制形成高性能、低成本的抗高溫油基鉆井液。

1 乳化劑類型的優選

1.1 乳化劑的作用機理及類型

乳化劑的主要作用機理：①降低界面張力：表面活性劑在將界面上會發生吸附，表面活性分子會定向、緊密地吸附在油水界面上使界面能量降低，防止了油或水的聚集。例如，煤油/水的界面張力一般在40 N/m。向其中加入適當的表面活性劑，其界面張力可降至1 N/m以下，煤油就可容易地分散在水中。②增加界面強度：表面活性劑在界面吸附，形成界面膜，當表面活性劑濃度較低時，界面上吸附的分子較少，界面強度較差，所形成的乳狀液穩定性也差。繼續增加表面活性劑溶液濃度，表面活性劑分子在界面上會形成一個緊密得到界面膜，其強度相應增大，乳狀液珠之間的凝聚所受到的阻力增大，形成的乳狀液的穩定性就好。實踐證明，做為乳化劑的表面活性劑必須加入足夠量，一般要超過表面活性劑的膠束濃度，才具有最佳的乳化效果。③界面電荷的產生：如果加入的表面活性劑是離子型表面活性劑，液滴表面上吸附的表面活性劑分子的親水端是帶電離子，使液滴相互接近時就產生排斥力，從而防止了液滴聚集。常用的油包水鉆井液中，乳化劑按分子結構主要分為以下類型[10-13]，如表1。

1.2 乳化劑種類的優選

乳化劑的性能是油包水乳液是否穩定的關鍵，也決定了整個油基鉆井液的整體性能。抗高溫、高壓的高性能油基鉆井液同樣也需要選擇抗高溫、高性能的乳化劑。本文選取了幾種不同類的乳化劑，比較了其抗高溫性能及電穩定性能，實驗所選取的基液為500 mL柴油+125 mL 25% 氯化鈣水溶液+10 mL乳化劑，熱滾條件：150 ℃20 h，實驗結果如表2所示。

由表2實驗結果可以得到：當油水比為4∶1時，乳化劑的粘度隨著所加量逐漸升高，其中RHJ-3的抗溫性能與電穩定性要強于RHJ-1和RHJ-2，綜合考慮選擇RHJ-3做為油基鉆井液的體系的主乳化劑。

1.3 乳化劑加量及優選

1.3.1 主乳化劑加量及優選

乳化劑的多少影響著乳狀液性能，如果加量太少，油水界面形成的吸附膜上的活性分子則不足，會導致配方的穩定性變差；乳化劑加量過高，鉆井液粘度則過大，不易于鉆井液的流動甚至造成井筒堵塞，且增大配制成本，因此需要合理確定乳化劑的加量，筆者通過測定不同加量乳化劑的乳狀液性能來確定其最佳加量，實驗所使用的基準試液為500 mL柴油+125 mL 20% 氯化鈣水溶液+1%輔助乳化劑，熱滾條件：150 ℃20 h實驗結果如表3所示。

通過實驗結果可知：乳狀液的破乳電壓隨著主乳化劑的含量的增加而升高。這主要是因為油水界面的表面活性劑分子變多，使得乳狀液性能更穩定。當乳化劑的加量控制在3%時，乳化液的破乳電壓基本處于穩定，這是由于油水界面基本已經被表面活性劑占領。綜上所述，主乳化劑最優加量控制在4%（表3和圖1）。

1.3.2 輔乳化劑加量優選

輔乳化劑是一種十分重要的輔助化學劑，可以增強主乳化劑各項性能的同時保證乳化液的穩定，加入輔乳化劑后，乳化液的油水界面處會形成一種復合吸附膜，以維持乳化液的穩定性。本文主要測定FRHJ-1、FRHJ-2、FRHJ-3與主乳化劑RHJ-3之間的配套性以及相容性，實驗所用基液為500 mL柴油+125 mL 20% 氯化鈣水溶液+3% RHJ-3，在150 ℃20 h的條件下進行熱滾，具體實驗數據如表4所示。

通過實驗結果可以得到，輔助乳化劑FRHJ-3與主乳化劑RHJ-3的相容性和配合性能最佳，配制后的乳化液各項性能綜合表現最為優秀，且其最優加量為1%。另外輔乳化劑可以改善乳化液的親水親油平衡，形成復合膜，增強乳化效果。

2 乳化劑性能評價實驗

2.1 乳化劑抗污染實驗

由于油基鉆井液所用在的油層復雜，會由于地層中其他物質的侵入導致鉆井液性能變化，因此在乳化劑的選擇時，除了考慮對乳化液的穩定性能的影響，還有考慮其抗污染能力，以保證鉆井液在鉆井過程中，仍可以發揮其各項性能，本實驗所用的基液為500 mL柴油+125 mL 20% 氯化鈣水溶液+3% RHJ-2+1% FHRJ-3，在熱滾條件為150 ℃20 h下進行，其各項數據如表5所示。

實驗結果表明，所配制的乳化液的抗污染性能較為不錯，當乳化液體系中的含水量達到35%時，破乳電壓仍然很高，說明以主乳化劑RHJ-3與輔乳化劑FRHJ-3配制而成的乳狀液性能穩定，抗污染能力強，可知主輔乳化劑的兼容性及協同工作效果良好，可以滿足配制油基鉆井液的基本要求。

2.2 乳化率評價實驗

乳化率評價法是一種評價短時間內穩定性的方法，評價的主要方法是將老化后的乳狀液倒入200 mL量筒中，以天為單位靜置觀察后讀取分離處油相的體積，按照以下公式計算出乳化率：

（1）

式中：W —乳化率，%；

V —分離出的油層體積，mL。

根據以上機理，配制基礎乳液（500 mL柴油+4%主乳化劑+1%輔乳化劑+3% CaO+2%有機土），取100 mL放置于200 mL量筒中，并測試上層吸油量，計算乳化率，實驗結果如圖2所示。

圖2表明，按所選的主輔乳化劑配置的油基鉆井液在靜置一周后乳化率仍高于80%，與國外較為先進的乳化劑配置的油基鉆井液乳化率相當，而傳統的環烷酸鈣配置成的油基鉆井液乳化率僅為50%，說明所選出的主輔乳化劑相容性較好，各項性能穩定，可以用作油基鉆井液的乳化劑。

3 現場應用

運用所配制的新型油包水鉆井液在國內某油田XM-1、XM-2井進行了現場應用，應用表明該體系在施工過程中性能穩定、抗污染能力強，滿足了水平井、大位移井等高難度井的施工要求。

根據臨井的鉆井資料及地震解釋，預計XM-1

的油包水溶液在該井的三開井段2 700～4 100 m進行鉆井任務。XM-1井的設計垂深為2 814 m，斜深

的油包水溶液在該井的三開井段2 700～4 100 m進行鉆井任務。XM-1井的設計垂深為2 814 m，斜深為4 457.12 m的油包水溶液在該井的三開井段2 700～4 100 m進行鉆井任務。XM-1井的設計垂深為2 814 m，斜深為4 457.12 m，水平位移為1 124.56 m，最大井斜為87°，井底溫度為140 ℃左右。配漿至正常鉆進的鉆井液性能如表6所示。

由表6可以得到，所篩選的主輔乳化劑配置的鉆井液在高溫下具有良好的流變性能及電穩定性，破乳電壓最低為1 063 V，反砂正常，經多次起下鉆無卡鉆遇阻現象，并有較強攜屑能力，鉆進過程中摩阻低、扭矩平穩，機械鉆速達到1.8 m/h以上，滿足深層水平井施工要求。

4 結 論

（1）對常用的主輔乳化劑進行熱滾實驗、根據實驗性能篩選出了匹配性最好的主輔乳化劑，并通過性能測定實驗確定各乳化劑的最優加量。

（2）對所篩選出的主輔乳化劑進行性能評價實驗，結果表明其抗污染性、乳化率等綜合性能均達到現場實驗要求。

（3）用所篩選的乳化劑配置成的油基鉆井液，應用于水平井等鉆井現場，結果表明鉆井過程中扭矩平穩、摩阻較低、機械鉆速較高，滿足現場應用。

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